基于菲涅尔系数的介质板内天线辐射特性估计方法

摘要

本发明公开一种基于菲涅尔系数的介质板内天线辐射特性估计方法，其步骤包括：(1)对介质板内天线模型进行网格剖分；(2)计算介质板内天线模型的镜像位置；(3)计算介质板内天线模型表面电流产生的电场；(4)计算镜像电流；(5)计算菲涅尔系数；(6)计算镜像电流产生的电场；(7)建立介质板内天线模型的表面电场积分方程；(8)用矩量法解表面电场积分方程；(9)估计介质板内天线的电磁辐射特性。本发明利用菲涅尔系数来描述介质板对其内部天线的影响，实现了对介质板内天线辐射特性估计，可为后续天线设计提供指导，加快设计进程。

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及天线技术领域中的一种基于菲涅尔系数的介质板内天线辐射特性估计方法。本发明可以分析介质板内天线的辐射特性，加快天线设计进程。

背景技术

在天线技术领域中，为了保证天线的性能不受外界环境的干扰，通常用天线罩、介质填充等方式来保护天线。天线嵌在介质板内亦是一种常见的方式，如汽车玻璃内的天线。但是这些保护天线的装置也引入了新的问题：外加的装置会对天线的辐射特性产生影响。用矩量法可以分析介质板对天线的辐射特性的影响。

Faik G.Bogdano等人在其发表的论文“Validation of Hybrid MoM Scheme forComposite Geometries with Layered Structures”(International Seminar/Workshopon Direct and Inverse Problems of Electromagnetic and Acoustic Wave Theory(DIPED)，会议论文2016[D])中提出一种基于准静电场分析修正格林函数的电磁估计方法。该方法的实现步骤如下：(1)将天线的表面电流以介质板上下表面为对称面做镜像，并通过准静电场分析计算镜像电流的电流系数。(2)以天线和镜像的电流修正格林函数来构建矩量法的矩阵方程。(3)求解方程后得到天线表面电流，再分析天线的辐射特性。该方法实现了介质板内的天线辐射特性的分析。但是，该方法仍然存在的不足之处是：由于在计算镜像天线的电流系数时，采用的是准静电场分析，用静电场的镜像系数来修正镜像天线的表面电流系数。然而，当介质板的介电常数和介质板外的介电常数相差较小，甚至介质板的介电常数小于介质板外的介电常数时，准静电场分析的精度会下降，进而影响天线辐射特性的分析精度。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于菲涅尔系数的介质板内天线辐射特性估计方法，解决了介质板的介电常数和介质板外的介电常数相差较小，甚至介质板的介电常数小于介质板外的介电常数时，用准静电场分析估计介质板内天线电磁场辐射特性不准的问题。

本发明实现上述目的的思路是，利用菲涅尔系数计算介质板内天线在介质板中产生的电场，构建介质板内天线的表面电场积分方程，由方程得到介质板内天线的表面电流，利用介质板内天线的表面电流来估计介质板内天线的辐射特性。

本发明的具体步骤如下：

(1)对介质板内天线模型进行网格剖分：

在[λ/12,λ/8]波长的范围内，将介质板内天线模型剖分成多个三角形网格，根据积分精度的需要设置采样点个数，利用高斯数值积分公式，计算每个三角形网格对应的每个三角形网格高斯采样点位置；

(2)计算介质板内天线模型的镜像位置：

(2a)利用1次镜像公式，计算介质板内天线模型上每个三角形网格中每个高斯采样点的第1次镜像；

(2b)利用2次镜像公式，计算介质板内天线模型上每个三角形网格中每个高斯采样点的第2次镜像；

(2c)利用m次镜像公式，计算介质板内天线模型上每个三角形网格中每个高斯采样点的第m次镜像，m表示大于2且小于20的正整数；

(3)利用求场公式，计算介质板内天线模型上每个三角形网格中每个高斯采样点电流产生的电场：

(4)利用镜像电流公式，计算介质板内天线模型中每个三角形网格中每个高斯采样点电流的每次镜像电流；

(5)利用菲涅尔公式，计算介质板内天线模型上每个三角形网格中每个高斯采样点的每次镜像后的菲涅尔系数：

(6)利用下式，计算介质板内天线模型上每个三角形网格中每个高斯采样点的每次镜像电流产生的电场：

其中，

(7)建立介质板内天线模型的表面电场积分方程：

根据介质板天线模型的边界条件，建立介质板内天线模型上每个三角形网格中每个高斯采样点处的表面电场积分方程；

(8)用矩量法解表面电场积分方程：

用矩量法解介质板内天线的表面电场积分方程，得到介质板内天线模型的表面电流；

(9)估计介质板内天线的电磁辐射特性：

由天线表面电流求解天线辐射问题的相关参数，估计介质板内天线的电磁辐射特性。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

由于本发明利用菲涅尔系数计算介质板内天线在介质板中产生的电场，克服了在介质板的介电常数和介质板外的介电常数相差较小，甚至介质板的介电常数小于介质板外的介电常数时，准静电场分析描述介质板内天线辐射特性不准确的问题，使得本发明能更准确的描述电磁波在介质板中的传播规律，更精确的估计介质板内天线的电磁辐射特性。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为介质板内天线上一点处电流和该电流的部分镜像示意图；

图3为本发明仿真实验中介质板内天线模型的示意图；

图4为本发明仿真实验得到的介质板内天线阻抗对比曲线图：其中，图4(a)为本发明仿真实验得到的介质板内天线阻抗实部对比曲线图；图4(b)为本发明仿真实验得到的介质板内天线阻抗虚部对比曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步的详细描述。

参照附图1，对本发明的具体实施步骤作进一步的详细描述。

步骤1，对介质板内天线模型进行网格剖分。

在[λ/12,λ/8]波长的范围内，将介质板内天线模型剖分成多个三角形网格，根据积分精度的需要设置采样点个数，利用高斯数值积分公式，计算每个三角形网格对应的每个三角形网格高斯采样点位置；

步骤2，计算介质板内天线模型的镜像位置。

利用下述1次镜像公式，计算介质板内天线模型上每个三角形网格中每个高斯采样点的第1次镜像：

其中，

利用下述2次镜像公式，计算介质板内天线模型上每个三角形网格中每个高斯采样点的第2次镜像：

其中，

利用下述m次镜像公式，计算介质板内天线模型上每个三角形网格中每个高斯采样点的第m次镜像，m表示大于2且小于20的正整数：

其中，

图2为介质板内天线上一点处电流和该电流的部分镜像示意图，其中，方框为介质板的纵向切面，r

步骤3，利用下述求场公式，计算介质板内天线模型上每个三角形网格中每个高斯采样点电流产生的电场：

E

其中，E

步骤4，利用下述镜像电流公式，计算介质板内天线模型中每个三角形网格中每个高斯采样点电流的每次镜像电流：

其中，

步骤5，利用下述菲涅尔公式，计算介质板内天线模型上每个三角形网格中每个高斯采样点的每次镜像后的菲涅尔系数：

其中，

步骤6，利用下式，计算介质板内天线模型上每个三角形网格中每个高斯采样点的每次镜像电流产生的电场：

其中，

步骤7，建立介质板内天线模型的表面电场积分方程。

根据介质板天线模型的边界条件，建立介质板内天线模型上每个三角形网格中每个高斯采样点处的表面电场积分方程如下：

其中，

步骤8，用矩量法解表面电场积分方程。

用矩量法解介质板内天线的表面电场积分方程，得到介质板内天线模型的表面电流。

步骤9，估计介质板内天线的电磁辐射特性。

由天线表面电流求解天线辐射问题的相关参数，估计介质板内天线的电磁辐射特性。

下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步说明。

1.仿真条件：

本发明的仿真实验条件：处理器型号为Intel(R)Core(TM)i5-8250U 1.6GHz CPU、8GB RAM；编程语言为Fortran。

2.仿真内容与结果分析：

本发明仿真实验的模型是由介质板模型和偶极子天线模型组成的介质板内天线模型。该模型如图3所示，图中长方体为介质板模型，长1.2m，宽1m，高0.3m，相对介电常数为2.0。长方体内部的两个相同狭长矩形组成了偶极子天线，两个矩形的连接处为外加激励位置，偶极子天线中心与介质板中心重合，每个矩形长0.5m，宽0.02m。本仿真实验中介质板所在自由空间的相对介电常数为6.0。

本发明的仿真实验是采用本发明方法和现有技术基于准静电场分析修正格林函数的电磁估计方法(参见背景技术中所提到的Faik G.Bogdano在其发表的论文“Validation of Hybrid MoM Scheme for Composite Geometries with LayeredStructures”(International Seminar/Workshop on Direct and Inverse Problems ofElectromagnetic and Acoustic Wave Theory(DIPED)，会议论文2016[D]))分别对介质板内天线模型的进行仿真，计算介质板内天线模型的天线阻抗。其中，偶极子天线的激励电压为1V，扫频范围为100MHz～700MHz，频率间隔为12MHz，得到介质板内偶极子天线阻抗随频率变化的曲线。

为了验证本发明方法和现有技术的仿真效果，用商业软件FEKO的Windscreen电磁仿真方法对上述仿真条件对本仿真实验模型进行仿真，计算介质板内天线的天线阻抗，扫频范围为100MHz～700MHz，频率间隔为12MHz得到介质板内偶极子天线阻抗随频率变化的曲线。

图4(a)为本发明仿真实验得到的介质板内天线阻抗实部对比曲线图，图4(b)为本发明仿真实验得到的介质板内天线阻抗虚部对比曲线图。图4(a)、图4(b)中横坐标表示频率，单位为MHz，纵坐标表示阻抗，单位为Ohm。图4(a)、图4(b)中以正方形标示的曲线分别表示采用本发明方法仿真得到的天线阻抗的实部和虚部曲线。图4(a)、图4(b)中以圆形标示的曲线分别表示商业软件FEKO仿真得到的天线阻抗实部和虚部曲线；图4(a)、图4(b)中以三角形标示的曲线分别表示采用现有技术仿真得到的天线阻抗实部和虚部曲线。从图4(a)的曲线图中可以看出，在150MHz到180MHz和340MHz到370MHz频率范围，本发明方法仿真结果和商业软件FEKO仿真结果吻合的更好；从图4(b)的曲线图中可以看出，在150MHz到220MHz和320MHz到380MHz频率范围，本发明方法仿真结果和商业软件FEKO仿真结果吻合的更好。由此可以看出，本发明方法的仿真结果精度更高。